Проектирование подводных робототехнических систем

В.В. Вельтищев

Проектирование  подводных 
робототехнических систем

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5297-2

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

УДК 629.584
ББК 39.42-02
 
В28

Издание доступно в электронном виде по адресу:
https://bmstu.press/catalog/item/6362/

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Подводные роботы и аппараты»

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Вельтищев, В. В.
Проектирование подводных робототехнических систем : 
учебно-методическое пособие / В. В. Вельтищев. — Москва : 
Изда тельство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 37, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5297-2
Изложены требования к выполнению курсового проекта по дисциплине «Проектирование подводных робототехнических систем». 
Рассмотрены основные этапы выполнения курсового проекта. Особое 
внимание уделено структуре и правилам оформления расчетно-пояснительной записки, которая является наиболее распространенным 
видом текстовой технической документации. Приведены варианты заданий на курсовое проектирование и примеры оформления некоторых 
разделов расчетно-пояснительной записки.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 
«Мехатроника и робототехника», магистерская программа «Подводные 
робототехнические комплексы и аппараты».
 
УДК 629.584

 
ББК 39.42-02

В28

Учебное издание

Вельтищев Вадим Викторович

Проектирование подводных робототехнических систем 

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 17.09.2019. Формат 60×90/16.
Усл. печ. л. 2,5. Тираж 50 экз. Изд. № 746-2019. Заказ 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. press@bmstu.ru
www.baumanpress.ru

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com

Предисловие

Выполнение курсового проекта является важнейшим этапом 
освоения дисциплины «Проектирование подводных робототехнических систем (ПРТС)». 
В ходе курсового проектирования ПРТС студент должен:
• закрепить знания о стадиях разработки нового изделия и 
принятых критериях оценки совершенства конструкции;
• развить умение самостоятельно определять общую концепцию построения ПРТС, ее функциональную, логическую и техническую структуру;
• приобрести навыки практического применения ключевых 
положений, освоенных в курсе «Проектирование подводных робототехнических систем», а также ранее изученных дисциплин: 
«Информационные системы в мехатронике и робототехнике», 
«Надежность подводных робототехнических систем», «Проектирование микропроцессорных систем управления ПРТС», «Специальные электронные устройства роботов», «Системы ориентации 
и навигации ПРТС», «Системы технического зрения»; 
• сформировать навыки расчета и моделирования ПРТС, разработки основных алгоритмов функционирования программного 
обеспечения;
• закрепить навыки разработки ПРТС в современных пакетах 
САПР и проектирования элементов отображения их технического состояния;
• закрепить знания о нормативных требованиях к видам и 
комплектности конструкторской и программной документации 
для конкретной стадии разработки ПРТС и навыки оформления 
текстовой технической документации в соответствии с действующими нормативными требованиями.
Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника», 
магистерская программа «Подводные робототехнические комплексы и аппараты». 

1. ОБЪЕКТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.  
ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Подводная робототехническая система (ПРТС), как и любая 
техническая система, представляет собой совокупность взаимосвязанных технических объектов, объединенных общим алгоритмом функционирования. Наиболее распространенными и 
важными системами подводных робототехнических комплексов 
являются системы управления движением и исполнительные механизмы различного назначения. 
В большинстве случаев ПРТС относится к классу систем автоматического управления и содержит в своем составе следующие 
типовые функциональные компоненты (рис. 1.1): 
• систему управления;
• исполнительные устройства, например приводы движителей;
• объект управления, в качестве которого может выступать 
непосредственно необитаемый подводный аппарат или его отдельный механизм, например привод подвижности подводного 
манипулятора;
• датчики управляемых координат объекта управления. 
Большое значение при разработке ПРТС имеет ее предполагаемое конструктивное исполнение. Любое сложное изделие по 
конструктивно-функциональным характеристикам является ком
Рис. 1.1. Типовая функциональная схема ПРТС

плексом или сборочной единицей. В ГОСТ 2.101–2016 приведены 
определения таких видов изделий: 
комплекс — два и более специфицированных изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций; 
сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе 
сборочными операциями. 
Таким образом, сборочная единица отправляется потребителю 
в виде законченного, готового к эксплуатации изделия. Составные части комплекса невозможно или нецелесообразно собирать 
на заводе в единое изделие. Поэтому монтаж комплекса осуществляется потребителем. 
Поскольку в состав любого подводного робототехнического 
изделия входит не только необитаемый подводный аппарат, но и 
его пульт управления, а также другие вспомогательные системы и 
устройства, то очевидно, что данное изделие представляет собой 
комплекс. В некоторых случаях близкие по функциональному назначению изделия изготовляют как в виде комплекса, так и виде 
сборочной единицы. Например, стандартный персональный компьютер является комплексом, а ноутбук — сборочной единицей. 
Подводная робототехническая система конструктивно выполнена в виде комплекса. Типичным примером ПРТС является система управления движением необитаемого подводного аппарата. В состав системы входят измерители управляемых параметров 
движения, устройства, генерирующие задающие воздействия, 
и программно-аппаратная часть системы, в которой реализуются алгоритмы управления. Возможно также включение в состав 
системы управления и комплекса исполнительных устройств, 
с помощью которых формируются силовые воздействия на объект управления (подводный аппарат). Очевидно, что компоненты 
системы управления движением конструктивно размещены в различных составных частях робототехнического комплекса. Измерители параметров движения, формирующие информационную 
часть системы, и исполнительные устройства должны быть установлены непосредственно на подводном аппарате, а управляющая часть может быть размещена как на подводном аппарате, так 
и в пультовой части подводного робототехнического комплекса. 
Таким образом, произвести на заводе-изготовителе такую ПРТС 
в виде сборочной единицы невозможно. 

В состав современной ПРТС входит программная часть, которая может быть выполнена в виде программного компонента или 
программного комплекса. В соответствии с ГОСТ 19.101—77 под 
программным компонентом понимается программа, рассматриваемая как единое целое, выполняющая законченную функцию 
и применяемая самостоятельно или в составе программного комплекса. Программный комплекс — программа, состоящая из двух 
или более компонентов (или комплексов), выполняющих взаимосвязанные функции.
Таким образом, обобщенная структура ПРТС может быть различного вида. На рис. 1.2 представлен один из вариантов конструктивно-функциональной структуры системы управления 
движением подводного аппарата. В состав системы управления 
входят измерители параметров движения необитаемого подводного аппарата, конструктивно реализованные в виде трех сборочных единиц: блока измерителей угловой ориентации, измерителя глубины погружения и измерителя текущего отстояния 

Рис. 1.2. Конструктивно-функциональная структура системы управления движением подводного аппарата 

подводного аппарата от донного грунта. Алгоритмы управления 
и алгоритмы обработки информации с измерителей параметров 
движения реализуются в едином бортовом вычислительном модуле. Выходные сигналы системы управления являются управляющими воздействиями для средств движения, которые в состав 
рассматриваемого варианта ПРТС не входят. Следует отметить, 
что без правильного учета всех характеристик подводного аппарата и его средств движения разработать систему управления движением невозможно. В состав системы управления движением необитаемого подводного аппарата входят только представленные 
на рис. 1.2 компоненты. При такой постановке проектной задачи характеристики подводного аппарата и его средств движения 
должны быть определены в задании на курсовой проект.
На рис. 1.3 представлена более сложная структура ПРТС — 
движительно-рулевой комплекс подводного аппарата. Основными компонентами движительного комплекса являются несколько 
(1, 2, …, N ) однотипных двигательно-движительных устройств (на 
рисунке условно показано только одно из них). Каждое двигательно-движительное устройство представляет собой сборочную 
единицу, в состав которой входят электродвигатель, вал которого 
связан с движителем через редуктор, измеритель угловой скорости вращения вала электродвигателя и дискретный измеритель 
углового положения ротора. Сигналы управления на обмотку 
электродвигателя формируются в контроллере, который является 
сборочной единицей. Одновременно в контролере электропривода реализована обратная связь по угловой скорости вращения 
вала электродвигателя. Конструктивно контроллеры всех электродвигателей объединены в одну плату. Общая стратегия управления работой движительно-рулевого комплекса и диагностика 
его технического состояния реализуются в специализированном 
бортовом вычислительном модуле. 
Для такого варианта ПРТС в задание на курсовой проект могут входить следующие задачи:
• выполнение энергетического расчета и выбор компонентов 
двигательно-движительного устройства;
• синтез системы управления замкнутого по угловой скорости 
электропривода двигательно-движительного устройства;
• разработка алгоритмов управления компонентами движительно-рулевого комплекса. 
Следует отметить, что конструктивное исполнение ПРТС 
определяется конструкторской и программной документацией для 

Рис. 1.3. Конструктивно-функциональная структура движительно-рулевого комплекса подводного аппарата

различных стадий ее разработки (ГОСТ 19.101—77 и 2.102—2013). 
Разработка любого нового изделия осуществляется поэтапно. 
Содержание каждого этапа (стадии) разработки определяется 
ГОСТ 2.103—2013. Степень проработки ПРТС в курсовом проекте 
должна соответствовать стадии «Эскизный проект» или «Технический проект». В соответствии с требованиями ГОСТ 2.102—2013 
для изделий, относящихся к комплексам, чертежи не разрабатываются, основными документами для ранних стадий разработки являются пояснительная записка и схемы. Для программных 
компонентов на этих стадиях разработки следует подготовить 
только пояснительную записку (ГОСТ 19.101—77). Таким образом, главным отчетным документом курсового проекта является 
пояснительная (расчетно-пояснительная) записка. 
Предметом курсового проектирования могут быть различные 
ПРТС. Ниже приведены типичные темы курсовых проектов: 
«Электромеханическое наклонно-поворотное устройство для 
подводного аппарата»;
«Система динамического позиционирования телеуправляемого подводного аппарата»;
«Система управления движением автономного подводного аппарата»;
«Гидравлический манипулятор телеуправляемого подводного 
аппарата рабочего класса»;
«Разработка комбинированного движительно-рулевого комплекса донно-плавающего телеуправляемого подводного аппарата»;
«Разработка бортовой системы технического зрения подвод
ного аппарата с использованием оптического дальномера»;
«Проектирование системы позиционирования малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата»;
«Разработка алгоритмов управления группировкой автономных подводных аппаратов»;
«Разработка системы управления движением телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с гибридным движительным комплексом»;
«Разработка системы технического зрения для осмотрового 
телеуправляемого необитаемого подводного аппарата».
Задание на курсовой проект должно содержать все необходимые исходные данные для разработки и регламентировать его общее содержание. В рамках курсового проекта может возникнуть 
необходимость проведения дополнительных исследований в це

лях уточнения отдельных характеристик создаваемого изделия. 
Во многих случаях тематика курсовых проектов определяется реальными хоздоговорными научно-исследовательскими работами, 
проводимыми в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Пример оформления технического задания на выполнение 
курсового проекта приведен в приложении 1.

2. ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 

Содержание курсового проекта и общая последовательность 
выполнения его этапов практически не зависят от конкретной тематики проекта. Типовая методика выполнения эскизного и технического проектов предусматривает последовательное решение 
следующих задач, соответствующих этапам курсового проектирования (ГОСТ 2.119—2013 и 2.120—2013):
• анализ поставленной в проекте задачи, проведение информационного и патентного поисков для выявления существующих 
аналогов разрабатываемой системы; 
• анализ существующих принципов построения систем и 
оценка достаточности известных методов и методик проектирования для решения поставленной задачи; 
• обоснование общей концепции построения системы, формирование функциональной схемы системы и ее вариантов;
• предварительная проработка возможных конструктивных, 
схемных и алгоритмических решений, установление особенностей, преимуществ и недостатков каждого варианта; проведение сопоставительного анализа всех рассмотренных вариантов и 
обос нование выбора одного из них для детальной разработки;
• проведение основных расчетов проектируемой системы для 
определения ее конструктивных параметров и выбора комплектующих изделий;
• синтез алгоритмов управления;
• заключительное моделирование всей проектируемой системы для уточнения ее важнейших характеристик;
• оценка общего уровня и конкурентоспособности выполненной разработки, проверка патентной чистоты используемых технических решений.
Рассмотрим каждый этап выполнения курсового проекта более подробно.